EP2419947B1 - Unsymmetrischer separator - Google Patents
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- EP2419947B1 EP2419947B1 EP10715495.7A EP10715495A EP2419947B1 EP 2419947 B1 EP2419947 B1 EP 2419947B1 EP 10715495 A EP10715495 A EP 10715495A EP 2419947 B1 EP2419947 B1 EP 2419947B1
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Definitions
- the invention relates to a separator for arrangement in a battery, comprising a base body, the base body having an anode side for contacting the anode of a battery and a cathode side for contacting the cathode of a battery.
- Capacitors and batteries are mainly used as energy storage devices. Lithium-ion batteries are currently seen as particularly promising. These batteries are already used today for mobile applications such as used in cell phones, camcorders, etc.
- a major problem here is the heating or overheating of a battery.
- the heat generated during charging or discharging processes can be given off relatively poorly, so that the individual components of the battery are exposed to a high thermal load, which has the effect of reducing the life of the battery. Therefore, increased requirements are placed on the safety, stability and service life of the individual components of a battery in order to avoid an internal short circuit and to prevent the battery from exploding.
- High-voltage cathode materials are used for the cathode, which enable a higher cell voltage in the battery and thus a higher capacity.
- the high-voltage cathode materials are, especially when a battery is charged, highly oxidizing materials that place completely new demands on the components used in a battery.
- the separator On the anode side, the separator is in direct contact with strongly reducing electrode materials.
- the WO 2008/143005 and US 2009/0325058 A1 relate to electrochemical devices having a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte and a separator.
- the separator includes a first porous layer mainly composed of a thermoplastic resin and a second porous layer mainly composed of insulating particles.
- the DE 10 2005 042 215 A1 relates to a separator comprising electrically non-conductive fibers and a non-electrically conductive coating made from an inorganic adhesive and oxide particles bonded to the substrate.
- the WO 02/061874 A1 relates to multilayer UV cured polymer electrolytes that have separator film layers and electrolyte layers.
- the invention is therefore based on the object of specifying a separator which can be used without problems in lithium-ion batteries and which increases the operational reliability of the lithium-ion battery.
- the above object is achieved by a separator having the features of patent claim 1.
- the separator mentioned at the beginning is characterized in that the anode side has a different material consistency than the cathode side.
- a separator which can easily come into contact with different electrode materials. It has also been recognized that a different material consistency of the separator on the anode side and the cathode side allows the separator to be adapted to the electrode materials. It is not only conceivable to develop a different porosity on the anode side than on the cathode side, but even to arrange completely different materials or material mixtures. According to the invention, this separator allows the new requirements for large high energy or high power batteries to be met.
- the separator according to the invention is constructed asymmetrically. It can therefore be adapted to the different requirements for chemical or electrochemical stability on the respective electrode side. This ensures reliable operation of a battery.
- the different material properties of the separator on the anode side and the cathode side could also be achieved by a surface treatment, e.g. reactive or activating plasma, corona treatment or fluorination.
- a surface treatment e.g. reactive or activating plasma, corona treatment or fluorination.
- the adhesion to the electrodes can be improved, a protective layer against electrochemical corrosion can be formed or the wetting properties can be improved by the electrolyte.
- the anode side consists of a first material or a first material mixture and the cathode side consists of a second material or a second material mixture.
- the respective materials or material mixtures can be adapted to the chemical or physical conditions on the respective electrode side.
- a finely porous barrier layer could be formed on the anode side and / or the cathode side. This can prevent dendrite growth. The dendrite growth usually starts at the anode and continues from there to the cathode. It can be effectively reduced by a very fine-pored barrier layer. It is also conceivable that very fine pores are formed on the anode side with an increasing pore diameter towards the cathode side.
- the fine-pored barrier layer could be laminated onto the base body. This creates a firm and relatively detachable connection to the base body.
- the lamination process allows the base body and the barrier layer to be manufactured separately, which can consist of one material or a mixture of materials.
- the first material or the first material mixture and / or the second material or the second material mixture has fillers.
- the fillers allow the porosity of the fine-pored barrier layer to be adjusted. It is conceivable to use pulp material, fibers or particles as fillers. These fillers can even be introduced into the base body in order to modify its porosity.
- the fillers could be designed as particles with an average particle size of 0.2 to 10 ⁇ m, preferably 0.5 to 4 ⁇ m.
- the particle size of 0.2 to 10 ⁇ m allows the build-up of a sufficiently fine-pored layer.
- the particle size of 0.5 to 4 ⁇ m allows a finely porous layer to be built up, which effectively prevents dendrite growth in lithium-ion batteries. This can prevent a short circuit or even an explosion of the battery.
- the particles could be round or elongated.
- At least some of the fillers on the anode side contain Al 2 O 3 and at least some of the fillers on the cathode side contain polyvinylidene fluoride.
- particles made of Al 2 O 3 withstand the reducing anode materials and particles made of polyvinylidene fluoride withstand the oxidizing cathode materials.
- Al 2 O 3 aluminum oxide
- polyvinylidene fluoride is stable to oxidation.
- At least some of the fillers could be designed as swellable substances which form gel in the electrolyte.
- the swelling or gel formation can close unwanted holes in the separator and its porosity can be further refined upon contact with the electrolyte.
- the base body consists of a nonwoven fabric.
- a layer of nonwoven can easily be equipped with different materials on the anode side or cathode side.
- the polyolefin separators known from the prior art show significant disadvantages with regard to thermal stability. The high shrinkage and melting and deliquescence at elevated temperatures and pressure should be mentioned here.
- a nonwoven fabric surprisingly shows better behavior here, although the nonwoven fabric can also comprise fibers made from polyolefin.
- the nonwoven fabric could particularly preferably be designed as a wet nonwoven fabric which is thermally solidified and / or fixed by a binding agent.
- a nonwoven fabric can be formed particularly well with a fine-pored barrier layer.
- the nonwoven fabric could be made from fibers whose mean diameter is at most 5 ⁇ m. This creates a very fine pore structure.
- the melting point of the nonwoven fabric could be greater than 100 ° C.
- the melting point of the nonwoven fabric could preferably be greater than 140 ° C.
- the melting temperature in the electrolyte could particularly preferably be greater than 200 ° C.
- Such a nonwoven is particularly suitable for use in a lithium-ion battery.
- the separator could have a shrinkage of at most 5% at a temperature of 150 ° C.
- a separator with such a shrinkage behavior can also be used in batteries which have high operating temperatures.
- the separator could have an average pore size (average pore diameter) of 0.1 to 4 ⁇ m, preferably 0.1 to 1 ⁇ m.
- an average pore size (average pore diameter) of 0.1 to 4 ⁇ m, preferably 0.1 to 1 ⁇ m.
- a pore size of 0.1 to 4 ⁇ m which is present in particular on the anode side, a high lithium-ion concentration and thus rapid charging of the battery is possible.
- a pore size on the anode side of 0.1 to 1 ⁇ m the battery can be charged particularly quickly with surprisingly little dendrite growth.
- the separator could have a thickness of at most 40 ⁇ m, preferably at most 30 ⁇ m.
- the coating of an electrode or a separator increases the safety of a battery, but has the disadvantage that it increases the thickness of the entire separator. This counteracts the higher energy and power density of batteries.
- a separator of at most 40 ⁇ m results in adequate safety on the one hand and a high energy and power density of a lithium-ion battery on the other.
- Fig. 1 shows a separator for arrangement in a battery, comprising a base body 1, the base body 1 having an anode side 2 for making direct contact with the anode of a battery and a cathode side 3 for making direct contact with the cathode of a battery.
- the anode side 2 has a different material consistency than the cathode side 3.
- the base body 1 is designed as a nonwoven material and coated on the anode side with a material mixture of inert, temperature-stable particles 4 and binder particles 5.
- the anode side 2 therefore consists of a first material mixture and the cathode side 3 consists of a second material or a second material mixture, which is designed here as a nonwoven fabric.
- a finely porous barrier layer 6 is formed on the anode side 2.
- Fig. 2 shows a separator for arrangement in a battery, comprising a base body 1, the base body 1 having an anode side 2 for making direct contact with the anode of a battery and a cathode side 3 for making direct contact with the cathode of a battery.
- the anode side 2 has a different material consistency than the cathode side 3.
- the base body 1 is designed as a nonwoven fabric and coated on the anode side with a first material mixture of inert, temperature-stable particles 4 and binder particles 5.
- the base body 1 is coated on the cathode side with a second material mixture made up of inert, temperature-stable particles 4a and binder particles 5.
- the anode side 2 therefore consists of a first material mixture and the cathode side 3 consists of a second material mixture.
- a finely porous barrier layer 6 is formed on the anode side 2. The first and the second material mixture have penetrated the interior of the base body 1.
- Fig. 3 shows a separator for arrangement in a battery, comprising a base body 1, the base body 1 having an anode side 2 for making direct contact with the anode of a battery and a cathode side 3 for making direct contact with the cathode of a battery.
- the anode side 2 has a different material consistency than the cathode side 3.
- the base body 1 is designed as a nonwoven fabric and coated on the anode side with a first material mixture of inert, temperature-stable particles 4 and binder particles 5.
- the base body 1 is coated on the cathode side with a second material mixture made up of inert, temperature-stable particles 4a and binder particles 5.
- the anode side 2 therefore consists of a first material mixture and the cathode side 3 consists of a second material mixture.
- a finely porous barrier layer 6 is formed on the anode side 2. The first and the second material mixture have almost not penetrated into the interior of the base body 1.
- a 15 cm wide PET (polyethylene terephthalate) nonwoven (thickness: 20 ⁇ m, weight per unit area: 11.3 g / m 2 ) was continuously coated with the above solution by means of a roller coating process and dried at 120 ° C.
- a coated nonwoven fabric (C) with a basis weight of 23.6 g / m 2 and a thickness of 29 ⁇ m was obtained.
- the mean pore size was 0.22 ⁇ m.
- the impregnated nonwoven fabric (C) was continuously coated with paste B by a roll coating method and dried at 120 ° C.
- An anisotropically constructed separator (D) with a weight per unit area of 32 g / m 2 and a thickness of 38 ⁇ m was obtained.
- the mean pore size was 0.19 ⁇ m.
- the shrinkage (150 ° C., 10 min.) Of the separator (D) coated on both sides was 0.5%.
- the mean pore size was determined according to ASTME E 1294 (test method for the features of the pore size of membrane filters using an automatic liquid porosity meter). To determine the weight per unit area, three 100 ⁇ 100 mm samples were punched out, the samples weighed and the measured value multiplied by 100. The thicknesses were measured with a Model 2000 U / Electrical Precision Thickness Gauge. The measuring area was 2 cm 2 and the measuring pressure was 1000 cN / cm 2 . To determine the shrinkage, 100 ⁇ 100 mm samples were punched out and stored for 10 minutes at 150 ° C. in a Mathis laboratory dryer. The shrinkage of the samples was then determined.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Separator zur Anordnung in einer Batterie, umfassend einen Grundkörper, wobei der Grundkörper eine Anodenseite zur Kontaktierung der Anode einer Batterie und eine Kathodenseite zur Kontaktierung der Kathode einer Batterie aufweist.
- Separatoren der eingangs genannten Art sind bereits aus der
WO 2009/033 514 A1 und derWO 2009/033 627 A1 bekannt. Dort sind Vliesstoffe mit Partikelfüllung beschrieben, die als Separatoren in Batterien und Energiespeichern verwendet werden. - Im Zuge der Verknappung natürlicher Ressourcen und der damit einhergehenden Kostensteigerungen für Energie werden Energiespeicher - insbesondere elektrische Energiespeicher - zunehmend wichtiger für moderne Industriegesellschaften.
- Als Energiespeicher werden überwiegend Kondensatoren und Batterien verwendet. Als besonders vielversprechend gelten derzeit Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien werden heute schon für mobile Anwendungen, wie z.B. in Mobiltelefonen, Camcordern etc., verwendet.
- Bei der Übertragung dieser Technologie auf großvolumige Batterien, die für die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie benötigt werden, treten allerdings Scale-Up-Probleme auf. Ein wesentliches Problem dabei ist die Erwärmung bzw. Überhitzung einer Batterie. In großen Batterien kann die bei Lade- bzw. Entladevorgängen entstehende Wärme relativ schlecht abgegeben werden, so dass die einzelnen Komponenten der Batteie einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt werden, die für die Batterie lebensdauerverkürzend wirkt. Daher werden erhöhte Anforderungen an die Sicherheit, Stabilität und Lebensdauer der einzelnen Komponenten einer Batterie gestellt, um einen internen Kurzschluss zu vermeiden und eine Explosion der Batterie zu verhindern.
- Um eine ökonomische Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, muss neben einer Vergrößerung der Batterien auch deren Energie- bzw. Leistungsdichte weiter erhöht werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden neue Elektrodenmaterialien, sowohl für die Anode als auch für die Kathode, entwickelt.
- Bei der Kathode werden Hochspannungskathodenmaterialien verwendet, die eine höhere Zellspannung in der Batterie und damit auch eine höhere Kapazität ermöglichen. Die Hochspannungskathodenmaterialien sind, insbesondere im geladenen Zustand einer Batterie, stark oxidierende Materialien, die gänzlich neue Anforderungen an die verwendeten Komponenten in einer Batterie stellen. Auf der Anodenseite steht der Separator in direktem Kontakt mit stark reduzierenden Elektrodenmaterialien.
- Hieraus erwachsen neue Anforderungen an den Elektrolyten und auch an den Separator, der in direktem physikalischen Kontakt zu den Elektroden steht.
- Die
WO 2008/143005 undUS 2009/0325058 A1 betreffen elektrochemische Vorrichtungen mit einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem nicht wässrigen Elektrolyten und einem Separator. Der Separator umfasst eine erste poröse Schicht, die hauptsächlich aus einem thermoplastischen Harz besteht, und eine zweite poröse Schicht, die hauptsächlich aus isolierenden Partikeln besteht. - Die
DE 10 2005 042 215 A1 betrifft einen Separator, umfassend elektrisch nicht leitende Fasern und eine nicht elektrisch leitfähige Beschichtung aus einem anorganischen Kleber und mit dem Substrat verklebten Oxidpartikeln. - Die
WO 02/061874 A1 - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Separator anzugeben, der problemlos in Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar ist und die Beriebssicherheit der Lithium-Ionen-Batterie erhöht.
- Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Separator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist der eingangs genannte Separator dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenseite eine andere Materialkonsistenz aufweist als die Kathodenseite.
- Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass ein Separator benötigt wird, der problemlos mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien in Kontakt treten kann. Weiter ist erkannt worden, dass eine unterschiedliche Materialkonsistenz des Separators auf der Anodenseite und der Kathodenseite erlaubt, den Separator an die Elektrodenmaterialien anzupassen. Dabei ist nicht nur denkbar, auf der Anodenseite eine andere Porosität als auf der Kathodenseite auszubilden, sondern sogar völlig andere Materialien oder Materialmischungen anzuordnen. Erfindungsgemäß erlaubt dieser Separator, den neuen Anforderungen für große High Energy bzw. High Power Batterien gerecht zu werden. Ganz im Gegensatz zu den bereits bekannten Polyolefinseparatoren, die aus einheitlichen Materialien (Polytehylen oder Polypropylen) mit einer relativ zum Querschnitt isotropen Porenstruktur bestehen, ist der erfindungsgemäße Separator unsymmetrisch aufgebaut. Er kann daher an die jeweils unterschiedlichen Anforderungen an die chemische bzw. elektrochemische Stabilität an der jeweiligen Elektrodenseite angepasst werden Hierdurch wird ein sicherer Betrieb einer Batterie gewährleistet.
- Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
- Die unterschiedliche Materialbeschaffenheit des Separators auf der Anodenseite und der Kathodenseite könnte auch durch eine Oberflächenbehandlung, z.B. reaktives oder aktivierendes Plasma, CoronaBehandlung oder Fluorierung, bewirkt werden. Hierdurch kann insbesondere die Haftung an die Elektroden verbessert, eine Schutzschicht gegen elektrochemische Korrosion gebildet oder die Benetzungseigenschaften durch den Elektrolyten verbessert werden.
- Erfindungsgemäß besteht die Anodenseite aus einem ersten Material oder einer ersten Materialmischung und die Kathodenseite aus einem zweiten Material oder einer zweiten Materialmischung.
- Die jeweiligen Materialien oder Materialmischungen können an die chemischen oder physikalischen Bedingungen an der jeweiligen Elektrodenseite angepasst sein. Auf der Anodenseite und/ oder der Kathodenseite könnte eine feinporöse Sperrschicht ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Dendritenwachstum verhindert werden. Das Dendritenwachstum beginnt üblicherweise an der Anode und setzt sich von dort zur Kathode fort. Es lässt sich durch eine sehr feinporöse Sperrschicht effektiv vermindern. Dabei ist auch denkbar, dass anodenseitig sehr feine Poren mit zur Kathodenseite zunehmendem Porendurchmesser ausgebildet sind.
- Die feinporöse Sperrschicht könnte auf den Grundkörper auflaminiert sein. Hierdurch ist eine feste und relativ ablösesichere verbindung mit dem Grundkörper hergestellt. Der Laminierprozess erlaubt eine separate Fertigung des Grundkörpers und der Sperrschicht, die aus einem Material oder einer Materialmischung bestehen kann.
- Erfindungsgemäß weist das erste Material oder die erste Materialmischung und/oder das zweite Material oder die zweite Materialmischung Füllstoffe auf. Die Füllstoffe erlauben eine Einstellung der Porosität der feinporösen Sperrschicht. Dabei ist denkbar als Füllstoffe Pulpmaterial, Fasern oder Partikel zu verwenden. Diese Füllstoffe können sogar in den Grundkörper eingebracht werden, um dessen Porosität zu modifizieren.
- Vor diesem Hintergrund könnte zumindest ein Teil der Füllstoffe als Partikel einer mittleren Partikelgröße von 0,2 bis 10 µm, bevorzugt von 0,5 bis 4 µm ausgebildet sein. Die Partikelgröße von 0,2 bis 10 µm erlaubt den Aufbau einer hinrichend feinporösen Schicht. Die Partikelgröße von 0,5 bis 4 µm erlaubt den Aufbau einer feinporösen Schicht, die Dendritenwachstum in Lithium-Ionen-Batterien wirksam verhindert. Hierdurch kann ein Kurzschluss oder sogar eine Explosion der Batterie vermieden werden. Die Partikel könnten rund oder gestreckt ausgebildet sein.
- Erfindungsgemäß enthält zumindest ein Teil der Füllstoffe auf der Anodenseite Al2O3 und zumindest ein Teil der Füllstoffe auf der Kathodenseite Polyvinylidenfluorid. Überraschend halten Partikel aus Al2O3 den reduzierenden Anodenmaterialen und Partikel aus Polyvinylidenfluorid den oxidierenden Kathodenmaterialien stand. Al2O3 (Aluminiumoxid) ist reduktionsstabil und Polyvinylidenfluorid ist oxidationsstabil.
- Es ist denkbar, die in den
WO 2009/033 514 A1 , derWO 2009/033 627 A1 und derPCT/EP2009/001197 - Zumindest ein Teil der Füllstoffe könnte als quellfähige und im Elektrolyten gelbildende Substanzen ausgebildet sein. Durch das Aufquellen oder die Gelbildung können unerwünschte Löcher im Separator geschlossen werden und kann dessen Porosität bei Kontakt mit dem Elektrolyten noch stärker verfeinert werden.
- Die hier genannten Füllstoffe, insbesondere die Partikel, könnten durch Bindemittel gebunden sein, wie sie in den
WO 2009/033 514 A1 , derWO 2009/033 627 A1 und derPCT/EP2009/001197 - Erfindungsgemäß besteht der Grundkörper aus einem Vliesstoff. Eine Lage aus Vliesstoff lässt sich problemlos anodenseitig oder kathodenseitig mit unterschiedlichen Materialien ausrüsten. Die aus dem Stand der Technik bekannten Polyolefinseparatoren zeigen signifikante Nachteile hinsichtlich der thermischen Stabilität. Hierbei sind der hohe Schrumpf und das Aufschmelzen und ein Zerfliessen bei erhöhten Temperaturen und Druck zu nennen. Ein Vliesstoff zeigt hier überraschend eine besseres Verhalten, obwohl auch der Vliesstoff Fasern aus Polyoelfinen umfassen kann.
- Besonders bevorzugt könnte der Vliesstoff als Nassvliesstoff ausgestaltet sein, welcher thermisch verfestigt und/oder durch ein Bindemittel fixiert ist. Ein solcher Vliesstoff lässt sich besonders gut mit einer feinporösen Sperrschicht ausbilden.
- Der Vliesstoff könnte aus Fasern gefertigt sein, deren mittlerer Durchmesser höchstens 5 µm beträgt. Hierdurch ist eine sehr feine Porenstruktur geschaffen.
- Der Schmelzpunkt des Vliesstoffs könnte größer als 100° C sein. Bevorzugt könnte der Schmelzpunkt des Vliesstoffs größer als 140° C sein. Besonders bevorzugt könnte die Schmelztemperatur im Elektrolyten größer als 200° C sein. Ein solcher Vliesstoff eignet sich besonders für die verwendung in einer Lithium-Ionen Batterie.
- Der Separator könnte einen Schrumpf von höchstens 5 % bei einer Temperatur von 150° C aufweisen. Ein Separator mit einem solchen Schrumpfverhalten kann auch in Batterien eingesetzt werden, die hohe Betriebstemperaturen zeigen.
- Der Separator könnte eine mittlere Porengröße (mittlerer Porendurchmesser) von 0,1 bis 4 µm, bevorzugt von 0,1 bis 1 µm aufweisen. Bei einer Porengröße von 0,1 bis 4 µm, die insbesondere anodenseitig vorliegt, ist eine hohe Lithium-Ionen-Konzentration und dadurch eine schnelle Aufladung der Batterie möglich. Bei einer anodenseitigen Porengröße von 0,1 bis 1 µm ist eine besonders schnelle Aufladung der Batterie bei überraschend geringem Dendritenwachstum möglich.
- Der Separator könnte eine Dicke von höchstens 40 µm, bevorzugt höchstens 30 µm, aufweisen. Das Beschichten einer Elektrode bzw. eines Separators erhöht zwar die Sicherheit einer Batterie, bewirkt jedoch nachteilig, dass sie die Dicke des gesamten Separators erhöht wird. Dies wirkt einer höheren Energie- und Leistungsdichte von Batterien entgegen. Überraschend hat sich gezeigt, dass ein Separator von höchstens 40 µm einerseits eine ausreichende Sicherheit und andererseits eine hohe Energie- und Leistungsdichte einer Lithium-Ionen Batterie bewirkt.
- Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.
- In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
- In der Zeichung zeigen
- Fig. 1
- eine schematische Ansicht eines Separators mit einem Grundkörper aus Vliesstoff, der einseitig oberflächlich beschichtet ist,
- Fig. 2
- eine schematische Ansicht eines Separators mit einem Grundkörper aus Vliesstoff, der beidseitig beschichtet ist und ,
- Fig. 3
- eine schematische Ansicht eines Separators mit einem Grundkörper aus Vliesstoff, der beidseitig beschichtet ist, wobei die Materialmischungen zumindest teilweise in das Innere des Grundkörpers eindringen.
-
Fig. 1 zeigt einen Separator zur Anordnung in einer Batterie, umfassend einen Grundkörper 1, wobei der Grundkörper 1 eine Anodenseite 2 zur unmittelbaren Kontaktierung der Anode einer Batterie und eine Kathodenseite 3 zur unmittelbaren Kontaktierung der Kathode einer Batterie aufweist. Die Anodenseite 2 weist eine andere Materialkonsistenz auf als die Kathodenseite 3. Der Grundkörper 1 ist als Vliesstoff ausgebildet und anodenseitig mit einer Materialmischung aus inerten, temperaturstabilen Partikeln 4 und Binderpartikeln 5 beschichtet. Die Anodenseite 2 besteht daher aus einer ersten Materialmischung und die Kathodenseite 3 besteht aus einem zweiten Material oder einer zweiten Materialmischung, die hier als Vliesstoff ausgebildet ist. Auf der Anodenseite 2 ist eine feinporöse Sperrschicht 6 ausgebildet. -
Fig. 2 zeigt einen Separator zur Anordnung in einer Batterie, umfassend einen Grundkörper 1, wobei der Grundkörper 1 eine Anodenseite 2 zur unmittelbaren Kontaktierung der Anode einer Batterie und eine Kathodenseite 3 zur unmittelbaren Kontaktierung der Kathode einer Batterie aufweist. Die Anodenseite 2 weist eine andere Materialkonsistenz auf als die Kathodenseite 3. Der Grundkörper 1 ist als Vliesstoff ausgebildet und anodenseitig mit einer ersten Materialmischung aus inerten, temperaturstabilen Partikeln 4 und Binderpartikeln 5 beschichtet. Der Grundkörper 1 ist kathodenseitig mit einer zweiten Materialmischung aus inerten, temperaturstabilen Partikeln 4a und Binderpartikeln 5 beschichtet. Die Anodenseite 2 besteht daher aus einer ersten Materialmischung und die Kathodenseite 3 besteht aus einer zweiten Materialmischung. Auf der Anodenseite 2 ist eine feinporöse Sperrschicht 6 ausgebildet. Die erste und die zweite Materialmischung sind in das Innere des Grundkörpers 1 eingedrungen. -
Fig. 3 zeigt einen Separator zur Anordnung in einer Batterie, umfassend einen Grundkörper 1, wobei der Grundkörper 1 eine Anodenseite 2 zur unmittelbaren Kontaktierung der Anode einer Batterie und eine Kathodenseite 3 zur unmittelbaren Kontaktierung der Kathode einer Batterie aufweist. Die Anodenseite 2 weist eine andere Materialkonsistenz auf als die Kathodenseite 3. Der Grundkörper 1 ist als Vliesstoff ausgebildet und anodenseitig mit einer ersten Materialmischung aus inerten, temperaturstabilen Partikeln 4 und Binderpartikeln 5 beschichtet. Der Grundkörper 1 ist kathodenseitig mit einer zweiten Materialmischung aus inerten, temperaturstabilen Partikeln 4a und Binderpartikeln 5 beschichtet. Die Anodenseite 2 besteht daher aus einer ersten Materialmischung und die Kathodenseite 3 besteht aus einer zweiten Materialmischung. Auf der Anodenseite 2 ist eine feinporöse Sperrschicht 6 ausgebildet. Die erste und die zweite Materialmischung sind nahezu nicht in das Innere des Grundkörpers 1 eingedrungen. - Zu 180 Teilen einer 1% CMC (Carboxymethylcellulose) Lösung wurden 120 Teile einer 60% Aluminiumoxiddispersion (Al2O3) gegeben und für 30 Minuten gerührt. Daraufhin wurden 8 Teile einer wässrigen SBR (Styrolbutadienrubber) Dispersion (65% Feststoffanteil) unter Rühren hinzugefügt. Die Lösung wurde 1 Stunde gerührt und mindestens 24 Stunden auf Stabilität getestet. Die Viskosität der erhaltenen Lösung betrug 120 cP und der pH-Wert betrug 9,9.
- Zu 170 Teilen einer 57 % PVDF (Polyvinylidenfluorid) - Dispersion wurden unter ständigem Rühren mit einem Flügelrührer 200 Teile einer 2% PVP (Polyvinylpyrrolidon) - Lösung gegeben. Die Lösung wurde 2 Stunden gerührt, entgast und mindestens 24 Stunden auf Stabilität getestet. Die Viskosität der erhaltenen Lösung betrug 140 cP und hatte einen pH-Wert von 7,1.
- Ein 15 cm breiter PET (Polyethylenterephthalat) - Vliesstoff (Dicke: 20µm, Flächengewicht: 11,3 g/m2) wurde mittels eines Walzenbeschichtungsverfahren mit obiger Lösung kontinuierlich beschichtet und bei 120°C getrocknet.
- Es wurde ein beschichteter Vliesstoff (C) mit einem Flächengewicht von 23,6g/m2 und einer Dicke von 29 µm erhalten. Die mittlere Porengröße betrug 0,22 µm.
- Der imprägnierte Vliesstoff (C) wurde mittels eines Walzenbeschichtungsverfahrens mit Paste B kontinuierlich beschichtet und bei 120°C getrocknet.
- Es wurde ein anisotrop aufgebauter Separator (D) mit einem Flächengewicht von 32 g/m2 und einer Dicke von 38 µm erhalten. Die mittlere Porengröße betrug 0,19 µm. Der Schrumpf (150°C, 10 min.) des beidseitig beschichteten Separators (D) betrug 0,5%.
- Die mittlere Porengröße wurde nach ASTME E 1294 (Prüfverfahren für die Merkmale der Porengröße von Membranfiltern unter Verwendung eines automatischen Flüssigkeits-Porositätsmessgerätes) bestimmt. Für die Bestimmung des Flächengewichtes wurden jeweils drei 100x100 mm große Proben ausgestanzt, die Proben gewogen und der Messwert mit 100 multipliziert. Die Dicken wurden mit einem Präzisions-Dickenmessgerät Modell 2000 U/ Elektrik gemessen. Die Messfläche betrug 2 cm2, der Messdruck 1000 cN/cm2. Für die Bestimmung des Schrumpfes wurden 100x100mm große Muster ausgestanzt und 10 Minuten bei 150°C in einem Labdryer der Fa. Mathis gelagert. Im Anschluss wurde der Schrumpf der Muster bestimmt.
- Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die Patentansprüche verwiesen.
Claims (11)
- Separator zur Anordnung in einer Batterie, umfassend einen Grundkörper (1), wobei der Grundkörper (1) eine Anodenseite (2) zur Kontaktierung der Anode einer Batterie und eine Kathodenseite (3) zur Kontaktierung der Kathode einer Batterie aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenseite (2) eine andere Materialkonsistenz aufweist als die Kathodenseite (3),
wobei die Anodenseite (2) aus einem ersten Material oder einer ersten Materialmischung und die Kathodenseite (3) aus einem zweiten Material oder einer zweiten Materialmischung besteht, wobei das erste Material oder die erste Materialmischung und das zweite Material oder die zweite Materialmischung Füllstoffe aufweisen, wobei zumindest ein Teil der Füllstoffe auf der Anodenseite Al2O3 und zumindest ein Teil der Füllstoffe auf der Kathodenseite Polyvinylidenfluorid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem Vliesstoff besteht. - Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anodenseite (2) und/ oder der Kathodenseite (3) eine feinporöse Sperrschicht (6) ausgebildet ist.
- Separator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feinporöse Sperrschicht (6) auf den Grundkörper auflaminiert ist.
- Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Füllstoffe als Partikel (4, 4a) einer mittleren Partikelgröße von 0,2 bis 10 µm, bevorzugt von 0,5 bis 4 µm ausgebildet ist.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Füllstoffe als quellfähige und im Elektrolyten gelbildende Substanzen ausgebildet ist.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff als Nassvliesstoff ausgestaltet ist, welcher thermisch verfestigt und/oder durch ein Bindemittel fixiert ist.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff aus Fasern gefertigt ist, deren mittlerer Durchmesser höchstens 5 µm beträgt.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des Vliesstoffs größer als 100° C ist.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Schrumpf von höchstens 5 % bei einer Temperatur von 150° C.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine mittlere Porengröße von 0,1 bis 4 µm, bevorzugt von 0,1 bis 1 µm.
- Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Dicke von höchstens 40 µm, bevorzugt höchstens 30 µm.
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